高效扩孔器的研制及应用

孙鑫，周东富，王迪，李舜丰

1.吉林省地质勘探技术研究所，吉林 长春 130103 ；2.吉林省地勘局物业管理中心，吉林 长春 130061；3.吉林省四平地质工程勘察院，吉林 四平 136000

0 引言

随着钻孔深度的增加，钻探遇到的岩层复杂程度越来越高，在钻探施工过程中，金刚石钻头配合扩孔器使用，而扩孔器也是直接影响钻探效率的重要环节。目前使用的扩孔器，用聚晶作为保径材料，不能主动的克取岩石，只能被动的被磨损，随着新型超硬材料的发展和钻头制作新工艺的出现，金刚石钻头寿命逐渐增加。扩孔器很快便失去了扩孔的能力，这时容易导致钻孔缩径，孔内钻具磨损[1-2]。再新下孔的钻头还需扫孔，致使钻头寿命减短，严重影响钻进效率。而我所新研制的扩孔器采用天然金刚石和大颗粒人造金刚石作为克取岩石的材料，辅以高耐磨性的胎体包裹，并将扩孔器与钻头连接端的胎体部分设计成斜面，斜面上均布天然金刚石和大颗粒人造金刚石可以逐步扩孔，因为金刚石克取岩石的能力一定优于聚晶。并且斜面的设计可以导正逐步扩孔，增加钻具在孔内回转的稳定性，减少了发生事故的风险，以此提高钻探的效率。

1 高效扩孔器的胎体组成

高效扩孔器的胎体材料根据作用可以分为以下三类:

(1)骨架材料：在胎体中起着支撑骨架作用的硬相组元，一般采用难熔的金属如铸造碳化钨、碳化钛等，通过调整胎体中骨架材料的含量，就可以得到性能不同的硬度、耐磨性的胎体。本研究骨架材料采用碳化钨与铸造碳化钨混合，铸造碳化钨虽然显微硬度高达2 500～3 000 N/mm2,但烧结性差，而且粒度较大，采用碳化钨填充在铸造碳化钨颗粒之间，形成超强硬度和耐磨性的骨架。

(2)强化材料：改善、强化胎体强度、韧性等性能的材料，本研究采用羟基镍粉和锰粉与胎体中的铜形成固溶体。镍属于过渡族元素，但镍又具有独特的金属学特性和机械特性，有良好的延伸性、韧性、抗氧化性，与铜可以无限互溶。镍与碳形成碳化物比较困难，内界面反应几乎不发生，但液态的镍可以牢固的附着在金刚石表面，形成极薄的镍膜，对金刚石的粘接极为有利，并且镍粉、锰粉的加入可以改善铜对碳化钨的湿润性。使基体骨架金属得到强化。

(3)浸渍材料：把骨架材料和强化材料粘接固化到一起，成为一个整体，本研究采用锌白铜作为浸渍金属，锌白铜的牌号：BZn18-26 熔点： 1 080℃ 组成成分见表1。

表1 锌白铜的组成成分

2 高效扩孔器的胎体配方

胎体配方的设计是最重要最基本的工作，胎体配方是其他工作的基础，只有做好胎体配方的设计试验，才能筛选出性能好的配方。无压浸渍胎体配方的特点是耐磨性高、浸渍强度高、流动性好。所以本实验采用碳化钨和铸造碳化钨混合作为骨架材料，强化材料主要以镍为主，还有微量的铬和硅。有研究表明，镍是r相的促成元素，与Cr搭配使用有阶跃性贡献，镍虽然对金刚石的失重影响很大，但镍具有良好的延伸性、韧性和抗氧化性，能提高胎体的强度和韧性，镍在以铸造碳化钨和碳化钨为主要材料的胎体配方中用量较小，与其他元素又有很好的相容性，并且镍在碳化物氛围中对金刚石的影响很小。

表2是通过多次压裂试验从12组胎体配方中筛选出的2组胎体配方的化学成分及配比。

表2 试验后得出的两种胎体配方

3 高效扩孔器参数

(1)斜面角度及水口片厚度：本实验钻头直径选定为78 mm，所以孔器外径确定为78.5 mm，扩孔器成品加工刚体外径尺寸为74 mm，经过计算斜面角度为1°30″，斜面长度为12 mm，水口片厚度为2.25 mm。

(2)水口宽度及天然金刚石、聚晶的分布：由于本实验选定的绳索78钻头为标准75规格加大到78 mm，破碎体积较大，岩粉量相对较大，所以扩孔器通水量相应增加，通水量与钻头相同，经过计算，水口宽度确定为16 mm，天然金刚石选用低级中小粒度等级，在斜面上分布采用4列5粒排列，聚晶采用2×4方聚晶在直槽以3列3粒排列。

(3)模具组成：扩孔器的烧结模具分为模具外套、型环和水口片，具体规格尺寸见图1。

图1 高效扩孔器石墨加工部分装配图Fig.1 Assembly drawing of graphite processing part of high efficiency reamer

4 高效扩孔器的野外试验

4.1 项目概况

(1)实验项目名称吉林省伊通县转心湖金矿区岩心钻探项目。

(2)实验项目所在地理位置及交通:详查区2000国家地理坐标：东经：125°23′33″～125°27′03″北纬： 43°15′32″～43°18′02″面积6.80 km2。

长春—营城子高速公路在矿区西侧3 km处通过，另有伊通—公主岭、伊通—辽源二级公路相连，矿区到新家乡为砂石路，新家乡到伊通县城有油渣路相通，详查区位于伊通县县城115°方向，直距9 km，距伊通县新家乡东约4 km，距最近铁路公主岭站北西296°方向直距47 km，行政区划隶属吉林省伊通县营城子镇。

(3)实验时间:2021年7月5日开始。

4.2 实验区地层情况简介

4.2.1 区域地质

矿区内主要矿产种类为金矿，施工地层较复杂。地层由上至下依次为第四系覆盖层、褐铁矿化花岗岩、花岗岩、大理岩、黄铁矿化绢云母化花岗岩、碳化黑铁矿化大理岩、长石斑岩、黄铁矿化大理岩、绢云母化花岗岩、黄铁矿化大理岩、碳化花岗岩、碳化大理岩、碳化花岗岩，碳化大理岩。上部花岗岩层较厚，层厚100 m左右，岩石坚硬，完整，局部破碎，进尺缓慢；大理岩普遍较为破碎，裂隙较为发育，常常含有黄铁矿化、碳化，钻进中易发生冲洗液漏失、掉块、坍塌等现象。所有这些，都会给施工带来不利影响。

4.2.2 区域地层简表

区域地层出露不全，缺失较多。出露地层主要为下新元古界西保安组、下古生界志留系和新生界第四系见表3。

表3 试验高效扩孔器的地层表

4.2.3 地层资料

实验层位地层自上而下为：黄铁矿化绢云母化中细粒花岗岩，浅灰-灰白色，中细粒结构，块状结构。岩石由石英，钾长石和斜长石及角闪石组成。肉红色中粒花岗岩肉红色-浅灰白色，中粒结构，块状构造。主要矿物由石英、钾长石和斜长石及角闪石组成。岩石较碎。黄铁绢云中粒花岗岩，浅灰-灰白色，中粒花岗岩，块状构造。岩石主要由石英、钾长石和斜长石及角闪石组成。碳化黄铁矿化大理岩，灰黑—灰白色，粒装变晶结构，块状构造。岩石主要由方解石组成，灰白色，粒状。长石斑岩，灰白—浅灰绿色，斑状结构，块状构造。岩石由斑晶及基质组成。岩石受构造影响被挫呈泥质软块。黄铁矿化大理岩，灰黑—灰白色，粒状变晶结构，块状构造，岩石由方解石组成。岩石受构造作用较破碎。绢云母化中粒花岗岩，灰绿-灰白色，中细粒结构，块状构造。岩石由石英，钾长石，斜长石及少量角闪石组成[3-4]。

4.3 高效扩孔器使用情况

该孔从40 m更换直径为78.5 mm高效扩孔器钻进，直至终孔300.6 m，共钻进260.6 m，提出孔外，观察扩孔器并无明显磨损，而且新钻头下孔不需要扫孔，不仅寿命长而且提高了钻进效率(减少了新钻头下孔后的扫孔时间)。

图2是采集的岩心图，图3～图5为扩孔器使用情况的对比。

图2 采集的岩心Fig.2 Collected cores

图3 使用后的扩孔器Fig.3 Reamer after use

图4 未使用的扩孔器Fig.4 Unused reamer

图5 使用后的扩孔器胎体的尺寸Fig.5 Size of reamer carcass after use

5 结论

斜面上均布天然金刚石的高效扩孔器在钻进过程中利用天然金刚石扩孔，而且斜面在扩孔过程中是逐步扩孔，既减少新钻头下孔扫孔，又可增加钻具在孔内的回转稳定性，既提高了钻进效率又减少了发生事故风险，所以我所研制的高效扩孔器具有巨大的应用价值和推广空间。